(57)【要約】【課題】  原子間力顕微鏡を用いて試料を測定する際に、装置に負担をかけることなく効率よく試料を除電して、原子間力顕微鏡による測定の精度を高める。【解決手段】  除電装置４と、帯電モニタ３を配置し、原子間力顕微鏡の探針２の位置に基づいて、試料１の探針２の位置周辺の帯電量が測定されるように帯電モニタ３をモニタ位置制御手段７により制御する。例えば、帯電モニタ３が常に探針２の近傍に配置されるように帯電モニタ３の位置を制御したり、複数の帯電モニタの中から探針２に近い位置にあるモニタを選択して、そのモニタに帯電量を測定させる。除電制御手段８は、帯電モニタ３により測定された帯電量が所定値を超えた場合に除電装置４を一定時間作動させ、試料を除電する。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子間力顕微鏡を用いた試料の測定方法において、
前記試料に蓄積された電荷を除電し得る位置に少なくとも１つの除電装置を配置し、
前記試料の帯電量を測定し得る位置に少なくとも１つの帯電モニタを配置し、
前記原子間力顕微鏡の探針の位置に基づいて、前記試料の前記探針の位置周辺の帯電量が測定されるように前記帯電モニタを制御し、
前記帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えたか否かを判定し、
前記判定の結果に基づいて前記除電装置の作動／停止を制御して前記試料を除電することを特徴とする試料測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の試料測定方法において、
測定された帯電量が所定値を超えた場合に、前記帯電量の測定を開始してから該帯電量が前記所定値を超えるまでの時間を取得するとともに、前記除電装置を作動させて前記試料を除電し、
前記除電を行った後は、前記取得した時間以下の時間間隔で、前記除電装置を自動的に作動させることを特徴とする試料測定方法。
【請求項３】
原子間力顕微鏡を用いた試料の測定システムであって、
前記試料に蓄積された電荷を除電し得る位置に配置された少なくとも１つの除電装置と、
前記試料の帯電量を測定し得る位置に配置された少なくとも１つの帯電モニタと、
前記原子間力顕微鏡の探針の位置に基づいて、前記試料の前記探針の位置周辺の帯電量が測定されるように前記帯電モニタを制御するモニタ制御手段と、
前記帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えたか否かを判定し、
前記判定の結果に基づいて前記除電装置の作動／停止を制御する除電制御手段と備えたことを特徴とする試料測定システム。
【請求項４】
前記帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えた場合に、前記帯電量の測定を開始してから該帯電量が前記所定値を超えるまでの時間を取得する帯電時間取得手段をさらに備え、
前記除電制御手段は、前記帯電時間取得手段により取得された時間以下の時間間隔で、前記除電装置を自動的に作動させることを特徴とする請求項３記載の試料測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡を用いて試料の表面形状、各部の寸法などを測定する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細な探針（プローブ）で試料表面を走査することによって試料を原子レベルの高分解能で観察することができる走査型プローブ顕微鏡が注目されている。なかでも、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）には、高い期待が寄せられている。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、探針を構成する原子と試料を構成する原子の間に生じる微小な力（原子間力）を探針により検出し、その原子間力（引力または斥力）が一定に保たれるように探針を振動させ、振動する探針の位置変位を測定する装置である。測定された位置変位は、凹凸像としてモニタ画面などに表示され、試料の表面形状として観察される。
【０００４】
原子間力顕微鏡の利点の１つは、導電体に限らずあらゆる試料を観察できることである。しかし、絶縁物試料の観察では、試料が帯電していると試料に蓄積された電荷が探針に対し反発力として作用するため、原子間力を正確に検出できなくなるという問題がある。
【０００５】
このため、通常、原子間力顕微鏡により絶縁物試料を観察する場合には、観察を行う前に、除電装置を用いて試料の除電を行ってから測定を行っている。除電の方法としては、例えばコロナ放電により除電する方法が知られている。また、除電効率がよく、ダストが少なく、メンテナンスがしやすいことから、Ｘ線照射による除電が行われることも多い。例えば、特許文献１には、帯電した試料にＸ線を照射して除電してから、原子間力顕微鏡による観察を行う方法が示されている。
【特許文献１】特開２００２−２５７７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
原子間力顕微鏡による測定精度を高めるためには、観察を行っている間、常時試料にＸ線を照射すれば、確実に除電できるので好ましい。しかし、常時照射は、試料が帯電していない場合や、帯電量が測定に影響しない程度の場合まで、Ｘ線を照射することになるので、効率の観点からすれば好ましいとはいえない。また、照射時間が長ければＸ線源も早く劣化するため、メンテナンスコストがかかるという問題もある。
【０００７】
しかし、適切な照射時間、照射頻度を判断する材料がない状況では、常時照射もしくは長時間のＸ線照射を行わざるを得ないのが実情である。本発明は、このような事情に鑑みて、試料の除電を効率よく行える方法およびシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、原子間力顕微鏡を用いた試料の測定方法として次の方法を提案する。本発明の試料測定方法では、まず、試料に蓄積された電荷を除電し得る位置に少なくとも１つの除電装置を配置し、さらに、試料の帯電量を測定し得る位置に少なくとも１つの帯電モニタを配置する。帯電モニタは、原子間力顕微鏡の探針の位置に基づいて、試料の前記位置周辺の帯電量が測定されるように制御する。そして、帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えたか否かを判定し、その判定の結果に基づいて除電装置の作動／停止を制御して、試料を除電する。例えば、帯電量が所定値を超えた場合に、所定時間除電装置を作動させるなどする。
【０００９】
帯電モニタによる帯電量の監視は常時行ってもよいが、測定された帯電量が所定値を超えた場合に、帯電量の測定を開始してから帯電量が前記所定値を超えるまでの時間を取得しておき、最初に除電装置を作動させて試料を除電した後は、その取得した時間以下の時間間隔で、除電装置を自動的に作動させるようにしてもよい。
【００１０】
本発明の試料測定システムは、上記方法の実施に用いられるシステムであって、試料に蓄積された電荷を除電し得る位置に配置された少なくとも１つの除電装置と、試料の帯電量を測定し得る位置に配置された少なくとも１つの帯電モニタとを備える。さらに、本発明の試料測定システムは、原子間力顕微鏡の探針の位置に基づいて、試料の前記探針の位置周辺の帯電量が測定されるように帯電モニタを制御するモニタ制御手段と、帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えたか否かを判定し、判定の結果に基づいて前記除電装置の作動／停止を制御する除電制御手段と備える。ここで、帯電モニタの制御とは、モニタの配置位置、向き、感度の制御のようにモニタ単体を制御することのみならず、複数のモニタのうち一部のモニタのみを機能させるなど、システムのモニタ機能全体を制御することも含む。
【００１１】
また、帯電モニタにより測定された帯電量が所定値を超えた場合に、帯電量の測定を開始してから帯電量が所定値を超えるまでの時間を取得する帯電時間取得手段をさらに備え、除電制御手段が、帯電時間取得手段により取得された時間以下の時間間隔で、除電装置を自動的に作動させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の試料測定方法およびシステムは、帯電モニタにより試料の帯電状況を監視し、その帯電状況に応じて必要最小限の除電を行うため、帯電の影響を受けることなく高い精度で試料の測定を行える一方、長時間の使用により除電設備を消耗させることもない。
【００１３】
また、最初の除電を行うまでの過程で、測定開始から帯電状態を検出するまでの時間を計測しておき、以降、その時間より短い時間間隔で、除電装置を作動させれば、試料が帯電する前に除電装置により帯電を防止することができ、無電荷状態を長く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の方法およびシステムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態における試料測定システムの概要を表す図である。但し、本発明に深く関わる要素のみを図示し、他の要素の図示は省略している。
【００１６】
このシステムは、原子間力顕微鏡により試料表面の形状を測定するシステムで、従来の原子間力顕微鏡装置の構成に加え、少なくとも１台の帯電モニタ３と、除電装置４を備えている。
【００１７】
原子間力顕微鏡装置は、試料を構成する原子から受ける微小な力（原子間力）を検出する探針２と、その力により振動する探針２の位置変位を検出して変位を表すデータを生成する変位検出手段（図示せず）と、生成されたデータから試料表面の形状を表す画像を生成して画面に表示する画像表示手段（図示せず）を備えている。
【００１８】
帯電モニタ３は、静電誘導方式のモニタである。帯電モニタの方式は特に限定されないが、軽量、小型、高感度、かつ非接触で帯電量を測定できる方式が好ましい。帯電モニタ３は、試料１の帯電状態を検出できるように、試料１の表面に近接して配置される。本実施の形態では帯電モニタ３は１台であるが、複数の帯電モニタを配置し、並行して、あるいは切り替えながら帯電量を測定してもよい。
【００１９】
また、帯電モニタ３は、探針２と同様、移動可能な支持体により支持されている。この支持体の動きは、図示されないモニタ位置設定機構により制御されている。モニタ位置設定機構は、支持体の位置を試料表面に定義されたＸＹ座標面における座標点で管理し、外部から座標が指定された際に支持体を動かして、帯電モニタ３を入力された座標により指定された位置にセットする。
【００２０】
あるいは、帯電モニタ３を移動するのではなく、複数台の帯電モニタ３を固定された位置に配置しておいてもよい。その場合には、モニタ位置設定機構は、外部から指定された座標に最も近い位置に配置されている帯電モニタを選択することによってモニタ位置を設定する。
【００２１】
除電装置４は、Ｘ線照射装置である。除電の方式については、コロナ放電など他の方式も考えられなくはないが、効率、制御のしやすさ、ダストの問題が発生しないことなどから、本実施の形態ではＸ線照射方式を採用している。
【００２２】
探針２、帯電モニタ３、モニタ位置設定機構および除電装置４は、いずれも原子間力顕微鏡装置内のコントローラと、原子間力顕微鏡装置に接続されたコンピュータにより制御されている。図２は、コントローラやコンピュータに組み込まれた制御手段（プログラム）と各制御対象の関係について説明するためのブロック図である。
【００２３】
図に示すように、探針２は原子間力顕微鏡装置が備える本来の機能（探針制御手段６）によって制御されている。但し、本実施の形態では、探針制御手段６は、本来の機能に加え、探針２の位置の情報を原子間力顕微鏡装置の外部のコンピュータに対し出力する機能を有する。
【００２４】
上記コンピュータは、図に示すように、モニタ位置制御手段７と除電制御手段８を備えている。モニタ位置制御手段７は、探針制御手段６から探針２の位置の情報を取得し、その位置の情報をモニタ位置設定機構５に与える。モニタ位置設定機構５は、探針２の位置の情報に基づいて、探針２の近傍に帯電モニタ３を移動したり、複数の帯電モニタの中から探針２に最も近い位置に配置された帯電モニタを選択したりする。このように、探針制御手段６とモニタ位置制御手段７との連携により、探針２の周辺の帯電量を正確に測定することが可能になる。
【００２５】
コンピュータの除電制御手段８は、移動された、または選択された帯電モニタ３から帯電量（電位として測定される場合もある）の測定値を取得し、その測定値に応じて除電装置４を制御する。
【００２６】
図３は、除電制御手段８の処理概要を示すフローチャートである。フローチャートに示すとおり、除電制御プログラムは、ステップＳ１０１において帯電モニタ３からデータを取得し、ステップＳ１０２において帯電量が所定のしきい値を超えているか否かを判定する。本実施の形態ではしきい値は０であるが、僅かな帯電であれば許容できるという場合には、その許容値をしきい値とすればよい。ステップＳ１０１、ステップＳ１０２の処理は、ステップＳ１０２において帯電量が所定のしきい値を超えていると判定されるまで、繰り返し実行される。
【００２７】
ステップＳ１０２において、帯電量がしきい値を超えていると判定された場合には、ステップＳ１０３において除電装置を作動させる。除電装置を作動させるときには、Ｘ線の照射時間、照射量など除電の条件を予め設定しておき、設定された照射時間だけＸ線を照射したら除電を停止するように除電装置を制御する。本実施の形態では、Ｘ線の照射時間は１０秒に設定されている。なお、照射時間や照射量は、ステップＳ１０１において取得したデータの値に基づいて、照射前に調整してもよい。試料の除電が完了したら、再びステップＳ１０１に戻り、上記処理を繰り返す。
【００２８】
発明者は、本実施の形態の試料測定方法およびシステムの効果を、フォトマスクの微小パターンの線幅測定を行うことによって確認した。具体的には、５日間にわたって１日１０回ずつ同一箇所を測定して、測定値の再現精度を評価した。その結果、除電を行わない場合の再現精度が４ｎｍであるのに対し、本実施の形態の試料測定システムによる測定では２ｎｍという高い再現精度が得られた。この値は、常時Ｘ線を照射する場合と同等の値である。
【００２９】
このように、本実施の形態の試料測定方法およびシステムでは、試料表面の帯電量がリアルタイムに測定され、その測定結果に基づいて必要最小限の除電を行うため、Ｘ線照射装置の寿命を縮めることなく、Ｘ線を常時照射して測定を行う場合と同等の高い精度で試料の表面形状を測定することができる。
【００３０】
（実施の形態２）
上記実施の形態１の方法およびシステムは、試料表面の帯電量をリアルタイムに測定するため、試料表面の帯電状況の変化が予測困難である場合には極めて有効である。しかし、実際には、例えば、除電してから所定時間が経過すると帯電量がしきい値を超えるというように、除電が必要になる時期を予測できる場合も少なくない。また、帯電モニタ自体が測定に与える影響も、全くないとは言えない。以下に説明する実施の形態は、帯電モニタによる測定を１回しか行わない形態である。
【００３１】
本実施の形態のシステムの構成は、図１および図２を参照して説明した実施の形態１のシステム構成と同様である。但し、図２の除電制御手段８の処理は、実施の形態１と異なる。
【００３２】
図４は、本実施の形態における除電制御手段の処理概要を示すフローチャートである。フローチャートに示すとおり、除電制御プログラムは、まず、ステップＳ２０１において、時間の計測を開始する。その後、ステップＳ２０２において、帯電モニタ３からデータを取得し、ステップＳ２０３において帯電量が所定のしきい値を超えているか否かを判定する。ステップＳ２０２、ステップＳ２０３の処理は、ステップＳ２０３において帯電量が所定のしきい値を超えていると判定されるまで、繰り返し実行される。
【００３３】
ステップＳ２０３において、帯電量がしきい値を超えていると判定された場合には、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０１において時間計測を開始してからステップＳ２０３において帯電量がしきい値を超えたと判定されるまでの時間Ｔｃｈを取得する。続いて、ステップＳ２０５において除電装置を作動させる。本実施の形態では、除電装置の作動により、試料にＸ線を１０秒間照射する。言い換えれば、除電装置を、作動してから１０秒後に停止するように制御する。
【００３４】
その後は、帯電モニタによる帯電量の監視は行わず、タイマーをセットしておいて所定時間ごとに除電装置を作動／停止させる。具体的には、ステップＳ２０６においてステップＳ２０４で取得した時間Ｔｃｈよりも若干短い時間Ｔｃｈ´をタイマーの初期値としてセットし、タイマーのカウントダウンを開始する。例えば、時間Ｔｃｈが１１分であった場合、時間Ｔｃｈ´を１０分に設定する。
【００３５】
１０分が経過し、ステップＳ２０７においてタイマー値が０になったことが検出されたら、ステップＳ２０８において除電装置を作動させ、１０秒後に除電装置を停止する。以降、ステップＳ２０６、Ｓ２０７、Ｓ２０８の処理を繰り返し実行することによって、１０分ごとに１０秒間、試料の除電を行う。
【００３６】
この測定方法およびシステムによれば、タイマーの設定時間Ｔｃｈ´を、実際に測定された除電から帯電までの時間Ｔｃｈよりも短めの時間とすることによって、試料が帯電する前に除電装置を作動させて、試料の帯電を抑制することができる。したがって、試料を常時除電された状態に保つことができ、高い精度の測定を行うことができる。さらには、帯電モニタが測定に与える影響を懸念する必要もない。
【００３７】
以上、本発明の試料測定方法およびシステムの実施の形態として２つの例を示したが、本発明は上記例に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、探針制御手段６は原子間力顕微鏡装置の機能であり、モニタ位置制御手段７および除電制御手段８は原子間力顕微鏡装置とは別のコンピュータにより実現しているが、モニタ位置制御手段７と除電制御手段８も原子間力顕微鏡装置の一機能として組み込み、帯電モニタや除電装置を接続するためのインタフェースを原子間力顕微鏡装置に設けてもよい。
【００３８】
その他、複数台の除電装置を使って除電を行う方法なども考えられる。また、実施の形態２において、帯電モニタによる測定と除電を複数回繰り返し、Ｔｃｈの平均時間を求めた後に、その平均時間より少し短い時間をＴｃｈ´として設定する方法なども考えられる。また、前述のように、時間Ｔｃｈ´は時間Ｔｃｈよりも短い時間とすることが好ましいが、時間Ｔｃｈと同じに設定した場合でも、相応の効果を得ることはできる。
【００３９】
近年、微細加工技術が進歩し、ウエハやフォトマスクにナノサイズのパターンを形成した構造が数多く提案されるようになったが、そのような構造の半導体製品を広く一般的に普及させるためには、微小パターンが規格に適合するものか否かを効率よく検査する方法、手段が必要不可欠である。そのような背景に鑑みれば、本発明の有用性が高いことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態における試料測定システムの概要を表す図
【図２】各種制御手段（プログラム）と制御対象の関係について説明するためのブロック図
【図３】実施の形態１の除電制御手段の処理概要を示すフローチャート
【図４】実施の形態２の除電制御手段の処理概要を示すフローチャート
【符号の説明】
【００４１】
１  試料、  ２  探針、  ３  帯電モニタ、  ４  除電装置    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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